多年的科学研究和工程实践证明,保护层卸压瓦斯抽采技术是煤与瓦斯突出、降低煤层瓦斯含量最有效、最经济的区域性防治措施。尽管近几十年来开展了大量的采动卸压瓦斯抽采现场试验,但对采动煤岩体应力变化、裂隙演化与卸压瓦斯流动相互作用的研究尚不够成熟,还无法为卸压瓦斯的高效抽采提供足够的理论基础和技术支持。本文针对高瓦斯、低渗透性煤层群条件,综合运用理论分析、实验室相似模拟、数值分析和现场实测等研究手段,开展了对近距离煤层群保护层开采裂隙演化及渗流特征的采动煤岩体应力场、裂隙场以及瓦斯渗流场的研究,初步获得了近距离煤层群条件下保护层开采后应力场、裂隙场与渗流场的时空变化规律,基于“三场”的研究结论,对被保护层进行了抽采钻孔参数优化,并在华晋焦煤沙曲煤矿成功地进行了试验,取得了显著的抽采效果。该研究成果丰富了上保护层开采理论,为离柳矿区及类似地质条件下的近距离煤层群保护层开采保护范围的确定和卸压瓦斯高效抽采提供了理论依据。论文主要研究内容及成果有:(1)将采场下伏煤岩体看做连续介质,建立了上保护层开采的下伏煤岩体非均匀载荷分布的力学模型。采用Matlab进行数值求解,并绘制出底板不同位置处垂直应力分布曲线、沿走向底板不同深度水平应力以及剪应力分布曲线,分析得出采场下伏煤岩体底板垂直应力随垂直距离增加而减小,水平应力与垂直应力规律相似,而距保护层10m的岩层中剪应力水平最小,距保护层20m岩层中的剪应力值最大,距保护层30m的底板岩层中剪应力值则再次减小。(2)煤层群条件下,保护层与被保护层层间距不同是影响采动应力场的重要参数之一。通过对不同层间距对采动应力场影响可以得到:随着煤层间距的增大,工作面正上方卸压程度逐渐降低;煤层间距对上煤层顶板运移影响不明显,下煤层顶板位移和底板底鼓随煤层间距增大而减小。(3)以沙曲矿地质条件为原型,基于相似理论,采用平面应变相似模拟实验平台进行了上保护层开采采动应力-裂隙的相似材料模型试验研究,该试验较真实的反映出煤层开采后采场下伏煤岩体及下被保护层的应力场以及裂隙场演化情况:保护层开采时(一次采动影响),工作面来压步距大,覆岩裂隙发育及顶底板卸压程度不充分,被保护层开采时(二次采动影响),工作面来压步距减小,覆岩裂隙发育及顶底板卸压程度充分,覆岩破碎程度高,两层煤开采时,覆岩裂隙频数均随工作面推进距离的增加而增大。叠加采动影响下,3+4号煤层高卸压程度阶段持续长度减少,约105m,但卸压程度更高,最大应力降低值可达12MPa,是2号煤层初采期间最大应力降低值得1.5倍。3+4号煤层开采时顶底板岩层测线上卸压程度仍高于2号煤层开采时的卸压程度,且均表现为距采空区两侧煤壁一定范围l内仍保持较高的应力降低现象,2号煤层开采时l范围较大,约30~40m,3+4号煤层开采时该卸压范围则减小至20~30m,保护层的采动对被保护层具有明显卸压作用。(4)通过数值模拟软件flac3d和udec,分析了保护层开采采场下伏煤岩体应力变化及裂隙演化规律,模拟结论表明:①工作面底板煤岩体的卸压深度、范围随工作面推进距离增大而增加,达到一定值时趋于稳定,2号煤层的开采对3+4号煤层产生卸压作用,且卸压程度大,卸压作用明显。②经过对各分区的裂隙的角度进行分析,可以得出底板岩层中工作面前方的裂隙群以竖直方向的大角度裂隙为主,在对其进行抽采的时候,应该以水平方向或小角度的钻孔布置方能起到比较好的效果,在对卸压区小角度的裂隙进行抽采的时候,应该以竖直方向或大角度的钻孔布置为主,才能起到比较好的抽采效果,当采用底抽巷进行瓦斯抽采时,位于煤层底板的卸压区的瓦斯抽放钻孔抽采的效果应该最好。(5)基于matlab对截取距离工作面不同距离各钻孔图像、距离工作面不同距离同一钻孔图像、距离工作面相同距离同一钻孔不同孔深处钻孔图像对采动裂隙场进行了反演,结果表明:保护层开采扰动下,被保护层顶板裂隙存在破坏程度区域性破坏现象,距离保护层工作面较近的被保护层顶板区域破裂程度较高,随着距离保护层工作面距离的增加,被保护层顶板破裂程度逐步降低;距工作面相同的距离,在10m孔深处,钻孔完整无裂隙,在15m孔深处,裂隙少量发育,有少量煤渣脱落;上保护层22201工作面推进过程中,各钻孔窥视观测得到的24208顶板最大破坏深度在12~14.8m之间离散分布,上保护层开采扰动导致的应力集中和释放过程中,工作面底板裂隙向下发展并贯穿了被保护层顶板全范围。(6)在有限的气体浓度数据的基础上,基于双立方插值对示踪气体浓度分布特征进行了三维重建,可以得到:2号煤层与3+4号煤层层间裂隙的贯穿范围为保护层工作面后方30~40m范围,3+4号煤层与5号煤层层间裂隙的贯穿时间为保护层工作面后方50m左右的范围,裂隙带范围为保护层工作面后方20~60m。(7)根据第四章数值模拟的保护层卸压深度以及塑性区发育情况,同时结合室内不同应力环境及破坏状态下煤岩体渗透率测定试验公式编写fish语言得到被保护层中渗透系数变化情况,从而获得了被保护层不同区域的渗透率值,分析得出了被保护层渗透率的分布特征。被保护层按照渗透率的变化可分为原始渗透率区、渗透率减小区、渗透率增大1区、渗透率增大2区,其中渗透率增大2区的渗透率增加最大,依据被保护层渗透率的分布特征,同时结合多年的煤矿瓦斯治理经验,对被保护层瓦斯抽采钻孔进行了优化,即从被保护层开切眼和收作线附近区域至工作面内部,钻孔的布孔间距依次为6m×6m,10m×10m,30m×30m。被保护层回采期间回风巷钻孔平均抽采浓度为38.2%,平均纯流量为7.12m3/min,比优化前分别提高了16%、4m3/min。工作面上隅角未出现瓦斯浓度超限现象,回风顺槽回风流瓦斯浓度为0.4~0.7%,平均为0.5%。(8)通过对沙曲矿的保护层现场保护效果现场考察,获得了下被保护层的瓦斯压力、瓦斯含量、钻孔流量及瓦斯抽采效果规律。考察到被保护层3+4号煤层瓦斯压力由原始瓦斯压力1.48MPa降到0.4MPa,保护层开采后残余瓦斯压力仅占到原始瓦斯压力的27%;获得了被保护层钻孔瓦斯流量在卸压后都比卸压前增大10%以上,其中,1号测试孔增大10.75%,2号测试孔增大11.21%,3号测试孔增大11.06%,5号测试孔瓦斯流量有所降低;考察了卸压煤层瓦斯含量,瓦斯含量由卸压前10.89m3/t降到了8.55m3/t。对被保护层卸压瓦斯抽采效果进行了考察。24208胶带巷平均抽采纯量高达70m3/min,瓦斯抽采浓度均大于50%,上保护层工作面的开采对下被保护层卸压效果明显。(9)通过对被保护层工作面进行矿山压力监测,得到了被保护层矿山压力显现规律。工作面超前支承压力范围约为30m,应力集中系数为1.81;周期来压步距为38~45m,周期来压时支架压力表峰值为43MPa。基于对矿压观测与来压期间瓦斯抽采数据的分析,验证了超前支承压力与瓦斯抽采浓度以及周期来压与瓦斯涌出量的相关性。基于前面章节裂隙场时空演化规律的结论,通过对裂隙场抽采钻场的瓦斯抽采数据进行分析,验证了裂隙场钻场布置位置的合理性。